Springende Wasserläufer-Roboter entwickelt

Elegant gleiten sie über Seen und Teiche hinweg – doch Wasserläufer haben noch mehr drauf: Die Insekten können sogar von der Wasseroberfläche abspringen. Wie ihnen das gelingt, haben Forscher nun genau analysiert und mit den Ergebnissen schließlich Wasserläufer-Roboter entwickelt, denen die Wasseroberfläche ebenfalls als Absprungs-Unterlage dienen kann.

Video: Credit: Seoul National University

Raffiniert nutzen sie die Gesetze der Oberflächenspannung: Wasserläufer besitzen an den Enden ihrer Beine spezielle Härchen-Strukturen, die stark wasserabweisend wirken. So können die bis zu zehn Millimeter großen Insekten übers Wasser gleiten, ohne zu versinken. Auf diese Weise sausen sie fix zu ins Wasser gefallenen Beutetieren. Bekannt ist auch, dass Wasserläufer beeindruckende Sprungfähigkeiten besitzen: Wenn sie sich bedroht fühlen, katapultieren sie sich mit ihren langen Beinen bis zu 40 Zentimeter weit durch die Luft. Genau dabei haben ihnen die Forscher um Je-Sung Koh von der Seoul National University nun detailliert zugesehen. Sie wollten herausfinden, wie es den Insekten gelingt, sich so kraftvoll von der Wasseroberfläche abzustoßen, ohne dabei die Oberflächenspannung zu durchbrechen.

Raffinierte Sprungtechnik

Die Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Forscher zeigten: Die Insekten beschleunigen ihre langen Beine beim Absprung nicht schlagartig, sondern allmählich, damit die Wasseroberfläche nicht zu schnell eingedrückt wird und einreißt. Die  Modellberechnungen von Koh und seinen Kollegen dokumentierten, dass die maximale Kraft der Wasserläufer-Beine immer knapp unterhalb des Drucks liegt, dem die  Oberflächenspannung gerade noch standhalten kann. Die Wasserläufer haben außerdem noch einen weiteren Trick auf Lager, beobachteten die Forscher: Die Insekten bewegen während des Sprungprozesses ihre Beine nach innen zum Körper hin, um den fein dosierten Druck möglichst lange auf die Wasseroberfläche ausüben zu können.

Koh und seinen Kollegen gelang es schließlich, all diese Geheimnisse der Wasser-Springerei auf zwei Zentimeter große und 68 Milligramm schwere Roboter zu übertragen. Wie ihre Vorbilder besitzen sie lange Gliedmaßen, deren Enden wasserabweisend beschichtet sind. Dadurch trägt sie die Oberflächenspannung des Wassers. Die Sprungkraft gewährleistet ein sogenanntes TRC-Element. Es handelt sich dabei um eine Art künstlichen Muskel, der Energie speichern kann. Durch Erhitzen über eine bestimmte Temperatur wird schlagartig ein Zusammenziehen des Elements ausgelöst. Diese Bewegung wird auf die Beine des Roboters übertragen, wodurch sie sich nach unten bewegen. Das TRC-Element lässt sich so einstellen, erklären die Forscher, dass es die Energie für die Beinbewegung allmählich freisetzt – so wie beim Wasserläufer.

Erfolgreich technisch umgesetzt

Auch die charakteristische Bewegung der Beine zum Körper hin übertrugen die Forscher erfolgreich auf ihre Mini-Roboter. Das Resultat kommt dem natürlichen Vorbild erstaunlich nahe: Die Wasserläufer-Roboter heben nach Auslösen des Mechanismus erfolgreich von der Wasseroberfläche ab, wie ein Video von Koh und seinen Kollegen veranschaulicht. „Unsere experimentellen Ergebnisse verbessern nun das Verständnis des dynamischen Zusammenwirkens zwischen frei beweglichen Körpern und Flüssigkeitsoberflächen", erklären die Forscher die wissenschaftliche Bedeutung ihres kuriosen Projekts.

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